鐵路列車動態(tài)脫軌的安全性評估

鐵路列車動態(tài)脫軌的安全性評估

1車輛運行安全標(biāo)準(zhǔn)的使用經(jīng)過多年的理論分析和試驗研究，制定了jnr模式的東京陸軍車輛安全標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)日本陸軍標(biāo)準(zhǔn)進行了評估運營安全。1993年以來涉及到脫軌系數(shù)Y/Q,根據(jù)輪緣角度確定的極限值只允許在既有線的線路試驗中使用。最近在高速線運行的新干線車輛上觀察到大幅度的車輪負(fù)載波動,300km/h的速度下頻率接近70Hz。初步認(rèn)為這些波動是由于鋼軌表面上小的垂向不平順引起的,波長約1.2m。在既有線的鋼軌接觸點和有磨損的鋼軌上也發(fā)現(xiàn)了這種情況。當(dāng)車輪負(fù)載由于波動降低時,脫軌系數(shù)Y/Q有時會瞬間超過上述標(biāo)準(zhǔn)值。在這些條件下應(yīng)研究鐵道車輛的運行安全并找出合適的評估參數(shù)和評估標(biāo)準(zhǔn),以及建立準(zhǔn)確無誤的評估方法,以確保安全。但同時在實用中不應(yīng)將輪緣的非爬軌狀態(tài)或其他的安全狀態(tài)誤認(rèn)為是不安全狀態(tài)。首先本文概述了安全標(biāo)準(zhǔn)的綜合使用情況,接著對新干線上觀察到的動態(tài)車輪偏載和輪對脫軌的計算機仿真結(jié)果,尤其是對運行在有磨損的鋼軌上的情況進行了描述。本文還闡述了有關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)、道岔運行試驗取得的線路數(shù)據(jù)和脫軌因素。2脫軌系數(shù)和車輪摩擦列車運行在鋼軌上時,作用在車輪踏面上的力可以分為如圖1所示的3個部分。這里使用歐洲表示法。車輪載荷在日本用Q表示,而在美國用V表示;側(cè)向力在日本用Y表示,而美國用L表示。為了評估鐵道車輛的運行安全性,在線路試驗中測量了輪軌接觸力,并利用這些力計算了幾個參數(shù)。現(xiàn)行使用的評估參數(shù)如下:(1)脫軌系數(shù)Y/Q;(2)輪重減載率ΔQ/Q0;(3)輪對Y/Q之和E|Y/Q|。Y、Q和Q0分別表示側(cè)向力、車輪載荷和輪對靜載荷的一半。E|Y/Q|是左右車輪Y/Q的絕對值之和,稱為Weinstock標(biāo)準(zhǔn)。世界各國普遍將脫軌系數(shù)作為用于安全性評估的主要參數(shù)。輪重減載率和輪對Y/Q之和是輔助參數(shù),只在美國使用。這些參數(shù)在理論上的極限值由下列等式求出。式中T——輪軌接觸角;＿——輪軌摩擦系數(shù)。式中FY——作用在車軸質(zhì)心的側(cè)向力;W——軸重。下標(biāo)L、R分別表示左右車輪,公式(2)為左輪輪緣爬軌的情況。公式(1)稱為Nadal公式。當(dāng)FY=0時,公式(2)稱為Kunieda公式。從這些公式可以很明顯地看出每個指數(shù)的極限值都受輪軌接觸角T和摩擦系數(shù)＿的影響。摩擦系數(shù)＿同時隨車輪沖角和輪軌之間的縱向蠕滑力的變化而變化。關(guān)于脫軌系數(shù)Y/Q,歐洲采用以步長為0.5m、總長為2m窗的滑行平均值,而其他國家使用最大的瞬間值。這個問題以后將討論。3車輪軌道3.1安全標(biāo)準(zhǔn)的模擬結(jié)果3.1.1輪對動力學(xué)方程仿真模型是一個等速運行的剛性輪對。作用在輪對上的外力如圖1所示。假設(shè)以下計算條件。(1)常載荷FZ、Fy作用在輪對質(zhì)心;(2)繞y軸的My等于0,即軸承的摩擦阻力可以忽略,轉(zhuǎn)動力矩為0;(3)輪對的搖頭角jW為常數(shù);(4)軌道的方向與x軸相同。這樣得到下列運行方程。式中符號分別表示為:b——輪軌接觸點和輪對中心的距離;r——輪軌接觸點的車輪半徑;mw——輪對質(zhì)量;iwx、iwy——分別為繞x、y軸的慣性半徑;下標(biāo)L——左車輪;下標(biāo)R——右車輪;下標(biāo)1——車輪踏面接觸點;下標(biāo)2——輪緣接觸點。作用在輪軌接觸點上的作用力X、Y和Q可以劃分為法向力和切向力。切向力是隨滾動接觸減小的蠕滑力。當(dāng)車輪脫軌、輪緣接觸鋼軌時,必須考慮大蠕動引起的非線性蠕滑力。3.1.2安全極限的確定在準(zhǔn)靜態(tài)脫軌的情況下,輪緣在一點接觸軌道,式(4)中的慣性力通過式(7)消除。這樣,脫軌的臨界狀態(tài)可以通過求解非線性聯(lián)立方程得出。圖2描述了輪緣角為70°,車輪踏面斜率為1/40的新干線車輪的計算結(jié)果。圖2中Y/Q曲線圖中的虛線是從Nadal公式(1)得出的值,ΔQ/Q0曲線中的虛線是從式(2)中得出的值。非線性蠕滑力根據(jù)J.J.Kalker理論計算。從圖2中可以看出:(1)脫軌系數(shù)Y/Q的極限值是沖角jW的一個函數(shù),但Y/Q不受作用在輪對上的側(cè)向力Fy的影響。但另一方面輪重減載率ΔQ/Q0在脫軌初期受Fy的影響很大;(2)當(dāng)沖角jW變?yōu)?,不再有側(cè)向蠕滑力時,Y/Q的極限值小于Y/Q=tanT。該值是當(dāng)摩擦系數(shù)＿等于0時,從式(1)得出的。輪緣與鋼軌接觸面的旋轉(zhuǎn)蠕滑減小了側(cè)向力并導(dǎo)致車輪上升脫軌。在日本輪緣角為60°的既有車輛上,Y/Q的比值不應(yīng)超過0.8,ΔQ/Q0不應(yīng)大于0.6。準(zhǔn)靜態(tài)ΔQ/Q0的極限值由式(2)得出,式(2)采用TL=60°;TR=1/20;＿=0.2;Fy=0。因此ΔQ/Q0=0.6時對安全極限沒有余地,其安全評估必須與Y/Q的評估同時進行。輪緣上的切向力也是沖角jW和縱向蠕滑力的函數(shù)。當(dāng)車輛起動或制動時,縱向蠕滑力X增加,盡管還有很小的側(cè)向蠕滑,但接觸面的蠕滑力將飽和。圖3描繪了Y/Q和X/Q的極限值關(guān)系的計算結(jié)果,表示對縱向蠕滑力的影響。當(dāng)jW=10mrad,X/Q=0時,Y/Q值變?yōu)樽钚?圖3)。但當(dāng)X/Q的比值增大時,Y/Q的極限值變大。當(dāng)X/Q大于0.6時,Y/Q是恒定的。X/Q的值可能達(dá)到0.8,該值是1/cosT與縱向力和法向力比值X/N的乘積。3.2走廊運行測試3.2.1靜態(tài)輪重減載率試驗進行線路試驗是為了研究側(cè)向通過8號道岔時脫軌事故的原因。8號道岔的結(jié)構(gòu)如圖4所示,有一個直的尖軌。試驗條件如下:(1)車輛為211電動車組及167電動車組,輪緣角均為60°;(2)運行速度分別為5km/h、10km/h、15km/h、20km/h、25km/h5個速度級;(3)道岔為2種類型的轍叉8號用于岔線和主要線路;(4)運行方向為反向(圖4);(5)靜態(tài)輪重減載率K分別為1/1、1/1.7、1/2.5;根據(jù)以前做過相同試驗可知,靜態(tài)輪重減載率對輪緣爬軌有很大的影響。試驗中當(dāng)車輛運行在道岔的導(dǎo)向曲線上時,隨著載荷逐漸減小,右車輪變?yōu)橥廨?。通過在軸箱懸掛中插入墊片,以及改變空氣懸掛高度,對導(dǎo)向車輪的負(fù)載不平衡進行矯正。試驗中測量了輪軌接觸力X、Y和Q以及車輪踏面和軌道間的垂向位移。3.2.2靜態(tài)輪重減載率k的影響試驗車的輪對在尖軌末端前1m處開始爬軌(圖4中*點所示)。圖5描述了輪緣從爬軌開始到最大點車輪所經(jīng)過的距離和車輪上升高度之間的關(guān)系。圖6繪出了與圖5中211電動車組相同的數(shù)據(jù),其x、y軸轉(zhuǎn)換為平均速度,它是由車輪的運行距離除以車輪上升的持續(xù)時間得出的。圖6的曲線為采用一輛車模型通過8號道岔時的仿真結(jié)果?？傻贸鋈缦陆Y(jié)論:(1)車輪上升過程中的運行距離,取決于線路狀況、車輛特性和靜態(tài)輪重減載率K;(2)輪重減載率K越大,輪緣爬軌速度越快。當(dāng)輪重減載率K達(dá)到1/2.5時,從圖4中的*點起開始運行1m或1.5m的過程中試驗車將脫軌;(3)當(dāng)車輛以低于25km/h的速度通過道岔時,K=1/1.5與K=1/1輪緣爬軌的平均速度大致相同。由于輪對靜載荷不平衡,使車輛產(chǎn)生一個繞x軸的側(cè)滾力矩,并使非輪緣輪軌接觸點的側(cè)向力增大,引起車輪上升脫軌。結(jié)果證明,靜態(tài)輪重減載率K必須在1.5以內(nèi)才能確保其運行安全。為了研究車輪負(fù)載不平衡對不平順鋼軌上運行的穩(wěn)定性和安全性的影響,對以最大速度350km/h的新干線車輛進行了計算機仿真。結(jié)果表明,車輪負(fù)載不平衡對運行穩(wěn)定性影響很小,當(dāng)K小于1.5時,對線路的不平順的影響沒有問題?？梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)向架組件的維修和調(diào)整來控制靜態(tài)輪重減載率K的值。圖7示出了利用運行試驗數(shù)據(jù)計算的、用于安全評估的一些參數(shù),并與上升的距離作比較。車輪上升高度在6mm內(nèi),所有的參數(shù)都隨車輪上升的高度而增大。僅從這些試驗數(shù)據(jù)得出的參數(shù)極限值如下。(1)脫軌系數(shù)Y/Q小于1.1;(2)2m窗內(nèi)的Y/Q滑行平均值(Y/Q)smv小于0.8;(4)Y/Q的持續(xù)時間t0小于0.15s。Y/Q的持續(xù)時間即Y/Q的值超過0.8的持續(xù)時間。通過有曲線的道岔時,由于輪對的沖角jW大,輪對Y/Q之和作為Weinstock標(biāo)準(zhǔn)不能顯示其特征。如果以0.8作為Y/Q的極限值,2m窗的滑行平均值比瞬時值更有實際意義。道岔上脫軌的主要因素是車輪負(fù)載不平衡、輪軌間的摩擦系數(shù)、車體質(zhì)量和簧下質(zhì)量。4動態(tài)錄制4.1軌系數(shù)及軸箱垂向加速度的時間歷程圖8為以340km/h速度運行的新干線車輛的線路試驗數(shù)據(jù)。圖8是用新近研制的儀器測量的側(cè)向力Y、車輪負(fù)載Q、脫軌系數(shù)Y/Q及軸箱垂向加速度的時間歷程圖。利用這種儀器可以精確測出小于100Hz的輪軌接觸力。在這種情況下,高頻率(與軸箱垂向加速度有關(guān))下的輪對負(fù)載波動引起輪對載荷減小,并導(dǎo)致Y/Q值瞬時達(dá)到1.5。眾所周知,當(dāng)車輛高速運行在有不平順的鋼軌上時經(jīng)常會遇到這種情況。這項研究的主要目的是在上述現(xiàn)象出現(xiàn)時評估運行安全性,并制定其評估方法。4.2車輪動態(tài)脫軌模擬仿真模型與圖1中所示的輪對大致相同。為了表示出車輪的跳動,鋼軌模型采用具有垂向和側(cè)向彈性懸掛和阻尼支撐的模型(圖9)。4.2.1車輪負(fù)載波動的仿真結(jié)果圖10表示當(dāng)一個恒定側(cè)向力Fy=50kN作用在車軸質(zhì)心,繞x軸的側(cè)滾力矩Mx逐漸增大時的仿真結(jié)果。圖10(a)是沒有車輪負(fù)載波動的情況,圖10(b)是由于鋼軌表面垂向不平順引起50Hz車輪負(fù)載波動的情況。仿真結(jié)果顯示:(1)當(dāng)車輪開始爬軌時,側(cè)滾力矩Mx的振幅與垂向不平順幾乎無關(guān);(2)車輪負(fù)載波動脫軌初期的Y/Q臨界值與無波動準(zhǔn)靜態(tài)脫軌的Y/Q臨界值大致相同;(3)車輪開始上升后的Y/Q值隨上升的距離逐漸加大,因為輪軌接觸角T也在增加;(4)當(dāng)輪緣上升的高度超過約10mm時,輪緣失去了抵制脫軌的作用力。然后即使Y/Q值降低,但輪緣還在繼續(xù)上升。由于50Hz波動下車輪負(fù)載減小的持續(xù)時間小于0.01s,開始爬軌的車輪立即被增大的車輪負(fù)載抵消,不容易脫軌。4.2.2y/q超高次運行時為了得到更多有關(guān)慣性力作用的動態(tài)脫軌數(shù)據(jù),進行了大量的脫軌仿真試驗。車輪以恒定的沖角與軌道相撞,并在運行期間跳上正弦波形狀的軌道。不同輪對靜載荷、運行速度、輪對沖角、摩擦系數(shù)和輪緣高度的新干線輪對的計算結(jié)果表明:(1)當(dāng)車輪不跳躍時,爬軌距離與Y/Q持續(xù)超過極限值的時間有關(guān)。Y/Q的持續(xù)時間越長,車輪爬軌越高;(2)當(dāng)車輪由于側(cè)向沖力跳躍時,車輪載荷Q立刻變?yōu)?,Y/Q變得不穩(wěn)定。車輪跳躍的高度與側(cè)向力脈沖幅度有關(guān)。但是,Y/Q的最大值和車輪跳躍前Y/Q超過極限值的持續(xù)時間與車輪上升的高度無關(guān),車輪上升的高度是輪緣爬軌和跳軌的總和;(3)如果車輪載荷由于跳躍連續(xù)為0的持續(xù)時間和跳躍前Y/Q超過極限值的時間相加,它們的時間之和與車輪上升的高度有關(guān)。圖11為一個仿真計算示例。這種情況下Y/Q的極限值設(shè)定為1.0,Y/Q的持續(xù)時間包括車輪載荷為0的時間,即車輪空載的條件定義為Y/Q超過了極限值。從不同計算數(shù)據(jù)的計算結(jié)果得出當(dāng)Y/Q的持續(xù)時間小于或等于0.015s時,車輪上升的高度小于1mm。在實際嚴(yán)格的運行條件下從輪緣開始上升到脫軌的時間大于0.03s。這就說明作為動態(tài)脫軌安全評估的一個標(biāo)準(zhǔn),下列假設(shè)是可行的。(1)當(dāng)新干線車輪輪緣角為70°時,Y/Q的極限值設(shè)置為1.0;(2)如果Y/Q超過1.0的持續(xù)時間等于或小于0.015s,認(rèn)為車輛是安全的,不會脫軌;(3)Y/Q的持續(xù)時間包括車輪負(fù)載Q等于0的時間。在既有線上的車輛,輪緣角為60°,同一標(biāo)準(zhǔn)要求將Y/Q的極限值設(shè)置為0.8。這點是通過用相當(dāng)于輪對03大小模型進行多次計算機仿真和實驗確認(rèn)的。圖12為采用03大小模型做實驗時測量的數(shù)據(jù)。為確保高速線上運行的安全性,無論在新干線還是既有線上都將Y/Q的極限值設(shè)置為0.8,這一新的安全標(biāo)準(zhǔn)在日本已經(jīng)被有意識地使用了6年,至今該安全評估還沒有出現(xiàn)過問題。4.2.3有效持續(xù)時間的確定人們發(fā)現(xiàn)Y/Q的瞬間較大值不會引起車輪脫軌。事實證明Y/Q的高頻波動和車輪載荷可以被忽略,即通過低通濾波器的Y/Q值更適合于實際安全評估。歐洲使用的Y/Q滑行平均值基本與這種過濾意義上是相同的。關(guān)鍵是這個距離窗或時間窗是否合適。當(dāng)在道岔上發(fā)生車輪爬軌事故時,如前所述采用2m距離窗的Y/Q滑行平均值可以用作評估。但是不知道當(dāng)車輛高速運行和動態(tài)脫軌時是否可以用相同的評估方法。為研究這個問題,在下列條件下進行了仿真,雖然此要求較嚴(yán),但在實際操作中是可行的。(1)靜態(tài)輪重減載率ΔQ/Q0=0.4～0.5;(2)作用在輪對上的側(cè)向力Fy=W×0.3～0.4,W表示軸重;(3)最大沖角jW=20mrad;(4)車輪靜載Q0=39kN～78kN。車輪開始爬軌時,Y/Q的值隨著上升的距離逐漸增大,但車輪上升高于某一距離時Y/Q值開始減小。只有當(dāng)Y/Q值增大時,車輪輪緣才具有抵抗脫軌的能力,因此研究這一過程的時間,并稱為有效持續(xù)時間。其仿真結(jié)果如圖13所示。可見有效持續(xù)時間在運行速度低于約150km/h時與之成正比,但當(dāng)超過150km/h時趨于穩(wěn)定。事實證明,采用Y/Q持續(xù)時間的標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)對于高速運行的安全評估是正確的。但是,應(yīng)該想到如果過濾的Y/Q值適合于脫軌評估,則采用的應(yīng)該是時間窗而不是運行距離窗。作為標(biāo)準(zhǔn),從現(xiàn)在起必須收集大量的線路試驗數(shù)據(jù),以確定窗的具體長度。5y/q極限值的確定多次線路道岔運行試驗表明,輪重減載率K對于保證脫軌安全非常重要,K應(yīng)該小于1.5。脫軌系數(shù)Y/Q通常用于